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摘要：本文首先从当前电网发展形势出发，分析了现有电力优化选线的技术流程及其特点，简单介绍了机载激光雷达系统组成与技术优势；然后研究了基于直升机激光雷达的电力选线技术流程，着重分析了检校场布设、航线设计等数据采集过程，详述了数据解算与处理及数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）和数字正射影像（DOM，Digital Orthophoto Map）生产过程，简单介绍了电力优化选线软件VirtuoZo ELE，并探讨了搭建立体环境、优化选线及成果输出等优化设计过程；接着，以位于河北省北部某段±500kV线路优化设计为例，介绍了测区概况并详细描述了E+AP0500激光扫描系统技术指标，利用BELL-407飞行平台进行数据采集，并生成DEM和DOM，通过搭建三维立体环境，综合分析基于立体环境采集资料、可研与规划资料、外业调绘资料、地质、水文等资料，对初设线路转角点进行优化设计，生成杆塔排位平断面图、航片路径图等优化选线成果；最后，通过实验分析得出基于直升机激光雷达的电力优化选线技术流程的可行性结论，为电力优化选线提供了有益参考。
关键字：激光雷达；电力优化选线；DEM；DOM
1概述
2016年3月5日，全国 “两会”上，将特高压输电列为 “十三五”规划重大项目，按照国家电网公司规划，到2020年，国家电网公司将建成东部、西部同步电网，投运19项直流工程，总体形成送、受端结构清晰，交直流协调发展的骨干网架，线路长度、变电（换流）容量分别达到9.5万公里、8.9亿千伏安（千瓦）[1]。“十三五”期间电网建设范围大、线路跨度长，在线路穿越植被覆盖的山区时，电力线路设计与建设技术难度大，给电网建设提出了更高的要求。
电力选线一般包括图上选线和野外选线两个过程，一般选择卫片或航片进行图上选线设计，选择多个路径方案，通过野外踏勘确定最终路径方案，完成路径初设[2]。线路初设完成后，需要根据初设线路走廊内的地形、地物信息进行线路优化设计，确定转角塔和直角塔位置。优化设计使用的地形资料一般委托测绘单位测量或从测绘局购买，且地形图是二维的，通过等高线或高程注记获取三维信息，产品单一不直观；输电线路一般位于郊区和农村地区，测绘局一般无该地区的大比例尺地形图，而委托测绘单位进行测量，速度慢、工期长，严重影响优化设计和施工进度[3]；航空摄影测量技术虽可实现三维图的重建，但在植被茂密区无法穿透植被获取植被下的地形信息[4]，且航空摄影测量需要大量外业像控布设，内业数据处理复杂，过程较慢，影响工程进度。
机载激光雷达集激光扫描技术、全球定位技术和惯性导航技术三种技术于一身，将激光扫描仪、GPS接收机、惯性导航系统、数码相机及控制系统[5]等搭载在飞机上，通过主动向地物目标发射激光脉冲获取地表的三维信息，同时，集成的数码相机能获取地表的影像数据。由于激光的波长短（一般在800~1600nm），能够穿透植被到达地表，可同时获取地表和植被信息，此外还能探测细小的电力线目标，比传统的航测技术具有优势。激光雷达能够直接获取地表的三维信息，快速生产DEM数据，结合采集的影像数据，可快速生产DOM数据，数据处理流程简单、成果生成速度快。采用VirtuoZo ELE软件，根据大场景的DEM和DOM快速搭建三维立体采集环境，同时利用外业调绘的资料，可进行电力选线的优化设计。
2 基于激光雷达的电力优化选线技术
2.1基于激光雷达的电力优化选线技术流程
基于直升机激光雷达的电力优化选线主要包括准备工作、数据采集、数据处理与电力优化选线等部分，具体技术流程如下图1所示：
2.2 数据采集
2.2.1 检校场布设
为保证数据获取精度，需在测区附近飞行检校场，对设备参数进行检校，保证数据获取精度。检校场布设一般选在包含有特征地物的城区内，通常检校场包含人字形建筑物和平直马路，检校场布设示意图如2下：
飞行方式为飞行高度和速度按照测区飞行的速度和高度飞行，垂直于平直马路、沿着人字形建筑物对飞两条航线（图2中1、2航线），平行于对飞航线约1/2带宽的距离飞行一条航线（图2中3航线），飞行一条垂直于对飞航线的航线（图2中4航线），通过飞行检校场检校激光雷达设备的安置角度误差。
2.2.2 航线设计与数据采集
测区航摄飞行航线设计从高效、经济的原则出发，综合考虑仪器设备的性能、测区地形地势、数据成果要求等一系列要素进行设计，按照GB/T 19294-2003《航空摄影技术设计规范》执行。
按照设计要求设置设备控制软件参数，飞机上线采集数据前，做“S”飞行，上线后保持设计的速度和高度飞行，姿态保持稳定，返航后做“S”飞行后落地。
2.3 数据处理
数据采集完毕后，检查数据的完整性和正确性后，进行数据解算算和处理，主要包括三维点云数据解算和DEM和DOM生产。
2.3.1点云数据解算
利用地面基站静态观测数据、机上GPS和IMU数据，采用POSPac软件联合解POS数据，并检查POS数据解算精度。利用点云数据解算软件，输入POS数据、原始激光点云数据、设备安置角检校参数等数据，解算三维点云数据。通过外控资料求取解算数据与成果数据的转换参数（一般为七参数），将三维点云数据转换到要求的成果坐标系下。
2.3.2 DEM和DOM生产
1）DEM生产
解算的三维点云数据，利用TerraSolid中TSCAN模块，进行噪点处理后，经过自动分类将植被、建筑物、电力设施等地物数据与地表数据进行分离，然后采用人工交互编辑处理，实现点云数据的精细分类并进行分类质量控制，最后，将分类的所有地面点作为特征点进行DEM构建，并根据成果要求的比例尺进行质量检查。
2）DOM生产
利用TerraSolid中TPHOTO模块，输入相机参数和影像列表信息，基于分类后的高精度DEM数据进行影像纠正、色彩调整、影像镶嵌等技术环节，生成DOM，并根据成果要求进行质量控制与检查。
2.4 电力优化选线
采用VirtuoZo ELE软件进行电力优化选线，该模块是专为电力设计定制的软件，功能模块贴合实际运用，做到了从数据源到成果输出的一体化，减少了优化选线工程中内外业工作量，提高了勘测设计质量，缩短了勘测设计周期，减低了工程造价。电力优化选线流程主要包括搭建立体环境、优化选线量测、成果输出等
2.4.1 搭建立体环境
利用生产的DEM和DOM数据，根据计算机性能设置三维立体环境数据量，将整幅的DEM、DOM数据进行拼接，根据匹配的DEM和DOM生成虚拟立体模型，设置立体观测环境视角，搭建立体优化选线平台。
2.4.2 优化选线
根据生成的三维立体大场景模型，导入规划、可研线路数据，采集房屋、建筑物、植被、河流、交叉跨越等信息，统计地物种类、数量、拆迁量，加载地址环境、水文气象、外业调绘资料等，进行初设杆塔点位、属性的修改、杆塔的自主排位等优化设计。
2.4.3 成果输出
完成线路的优化设计后，从三维立体选线平台中输出杆塔排位平断面图、杆塔坐标、航片路径图等成果资料。
3 实验分析
3.1 测区概况
实验线路区段为±500kV线路，位于河北省北部约32公里，测区以山区为主，海拔在1125米至1683米，测区整体呈中间高，两端低的趋势，地形复杂，山峦叠幛，植被繁茂，高程示意图如下图3所示：
3.2 设备选型
数据采集的飞行平台为BELL-407，地面基站设备选用Trimle R8 GPS接收机，激光雷达设备选用国产E+AP0500激光雷达系统，集成了AP-0500激光扫描仪（北京北科天绘科技有限公司生产）、飞思IXA-180数码相机和POSAV510惯性导航系统，设备具体指标如下表所示：
按照表2进行数据采集，采集完毕后的数据，通过求取的七参数将数据转换到北京-54坐标系下，通过高程拟合将高程转换到国家85高程系。以初设的线路为中心，两侧各不少于1000米（覆盖带宽2000米）并以初设线路起、终点处各向前、向后延伸500米范围，按照1：2000的比例尺生产DEM和DOM数据，见下图5。
图6-1为实验线路的杆塔排位平面图，显示了杆塔位置、交叉跨越信息等，图6-3为局部的航片路径图，从图中能直观、清晰的查看地物、交叉跨越等信息。
4 结论
本文研究了基于直升机激光雷达的电力优化选线的技术，探讨了一种新的电力优化选线方法，重点分析了航线设计、数据处理、优化选线等技术环节，总结了基于直升机激光雷达的电力优化选线的技术流程，通过实验验证了基于直升机激光雷达的电力优化选线的可行性。该技术在植被茂密地区、地形起伏较大地区，生产DEM、DOM精度高、速度快，采用VirtuoZo ELE软件进行优化选线，相比传统优化选线、航空摄影测量优化选线具有优势。
参考文献：
[1] 王柏臣.特高压、智能电网列入“十三五”规划重大项目[EB/OL].http：//www.indaa.com.cn/zt/2016qglh/lhkx2016/201603/t2016 0306_1637968.html，2016-03-06.
[2]李铁军. 浅谈电力线路设计路径的选择与定位[J].宁夏电力，2006，(3)：20-23.
[3]徐祖舰，王滋政，阳锋.机载激光雷达测量技术及工程应用实践[M].武汉：武汉大学出版社，2009.
[4]张晓东，窦延娟，刘平等.机载激光雷达技术在电力选线工程中的应用[J].长江科学院院报，2010，(1).
[5]张卫正.机载激光雷达点云数据处理及建筑物三维重建[D].山东科技大学，2012.
论文作者:胡伟,刘宁,王和平,邹彪,杨国柱
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/13
标签：数据论文; 激光论文; 电力论文; 技术论文; 线路论文; 植被论文; 杆塔论文; 《电力设备》2017年第6期论文;